[논문]실대형 하중재하 시험 및 현장계측을 통한 쉴드터널 세그먼트 안정성 분석

이규필; 장수호

doi:10.9711/ktaj.2019.21.5.611

실대형 하중재하 시험 및 현장계측을 통한 쉴드터널 세그먼트 안정성 분석
Stability analysis of shield tunnel segment lining by field measurement and full scale bending test 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.21 no.5, 2019년, pp.611 - 620

이규필 (한국건설기술연구원 인프라안전연구본부) , 장수호 (한국건설기술연구원 건설산업진흥본부)

초록
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쉴드터널은 직경 3~4 m 규모의 전력구 등에 주로 적용되었으나, 최근 직경 7~8 m 규모의 쉴드터널이 인천국제공항 활주로 하부에 시공되었으며, 한강 하저구간 도로 및 철도터널 시공완료 및 계획중에 있다. 쉴드터널 단면이 증가함에 따라 세그먼트 또한 대형화되고 있으며, 이로 인하여 세그먼트의 설계, 시공 및 성능평가 시 여러 문제점이 야기되고 있다. 따라서 본 연구에서는 직경 약 8 m 규모의 쉴드터널에 대한 현장계측 및 실대형 하중재하 시험을 통하여 쉴드터널 세그먼트 라이닝 구조적 안정성 분석, 축력을 고려한 세그먼트 사용성 검토방안의 적합성 및 품질관리 방안에 대하여 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The shield tunnel was mostly applied to cable tunnel with a diameter of 3~4 m, recently 7.8 m diameter shield tunnel was constructed in the lower section of the Incheon International Airport runway and is planning or under construction to roads and railway tunnels in the lower section of the Han River. Segments are also becoming larger as the shield tunnel cross-section increases, which causes a number of problems in the design, construction, and performance evaluation of segments. In this study, segment lining structural safety, criteria for serviceability check considering axial forces and quality control method for approximately 8 m in diameter shield tunnel were reviewed by field measurements and full scale bending test.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Specimen dimension
그림 Fig. 2. Arrangement of rebar and strain gauges (unit: mm)
그림 Fig. 3. Panoramic view of bending test
그림 Fig. 4. Crack pattern
그림 Fig. 5. Load-strain curve
그림 Fig. 6. Ground condition
표 Table 1. Soil property
그림 Fig. 7. Monitoring result of segment No. 2
그림 Fig. 8. Load combination for segment lining design
표 Table 2. Load combination cases for segment lining design
표 Table 3. Comparison of crack load and failure load

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 실대형 하중재하 시험 및 현장계측 결과의 비교분석을 통하여 쉴드터널 세그먼트 라이닝 구조적 안정성을 분석하였으며, 축력을 고려한 세그먼트 사용성 검토방안의 적합성을 검증하였다. 또한 세그먼트 제작시 주기적으로 수행되는 품질관리 방안에 대하여 검토하였다.
따라서 본 연구에서는 실대형 하중재하 시험 및 현장계측 결과의 비교분석을 통하여 쉴드터널 세그먼트 라이닝 구조적 안정성을 분석하였으며, 축력을 고려한 세그먼트 사용성 검토방안의 적합성을 검증하였다. 또한 세그먼트 제작시 주기적으로 수행되는 품질관리 방안에 대하여 검토하였다.
따라서 본 연구에서는 실대형 하중재하 시험 및 현장계측 결과의 비교분석을 통하여 쉴드터널 세그먼트 라이닝 구조적 안정성을 분석하였으며, 축력을 고려한 세그먼트 사용성 검토방안의 적합성을 검증하였다. 또한 세그먼트 제작시 주기적으로 수행되는 품질관리 방안에 대하여 검토하였다.

제안 방법

또한 (Fig. 3)에서 보이는 바와 같이 세그먼트 시험체 하부에 재하하중 단계별 균열측정을 위하여 고해상도 사진기 설치 및 녹화 후 영상처리기법을 이용하여 재하하중 단계별 균열을 측정하였다.
모든 시험 시에는 서보제어에 의한 변위제어 시험을 실시하였으며, 변위속도는 재하점을 기준으로 하여 2 mm/min으로 설정하였다. 세그먼트 내부 철근에 설치된 총 8개의 변형율 게이지들로부터 얻어지는 자료는 0.
모든 시험 시에는 서보제어에 의한 변위제어 시험을 실시하였으며, 변위속도는 재하점을 기준으로 하여 2 mm/min으로 설정하였다. 세그먼트 내부 철근에 설치된 총 8개의 변형율 게이지들로부터 얻어지는 자료는 0.1초당 1개의 속도로 획득하였으며, 본 연구에서는 세그먼트의 중심선(center line)에 설치된 변형율게이지 계측결과를 토대로 시험결과를 분석하였다.
시험체 지점부 경계조건은 Fig. 3에서 보이는 바와 같이 횡방향 방향성을 유지하기 위한 가이드 베이스와 시험체 및 재하하중 지지를 위한 롤러베이스로 구성하였으며, 힌지 및 롤러 조건으로 각각 경계조건을 설정하였다.
2에 발생하는 최대 휨모멘트는 306 kN-m로 나타났다. 해당 현장 세그먼트 라이닝은 Table 2에서 보이는 바와 같이 5가지 하중조합조건에 대하여 검토하였으며, 이 가운데 Fig. 8에서 보이는 바와 같은 하중조합 조건에 대해 설계하였다. 설계 시 균열 검토를 위한 사용하중 모멘트(Mo) 315.

대상 데이터

본 연구에서는 Lee et al. (2017)이 수행한 쉴드터널 현장계측결과의 비교 분석을 위하여, 대상 현장과 동일한 외경 7.770 mm, 두께(t) 350 mm, 길이(l) 3,614 mm, 폭(w) 1.5 m인 A타입 세그먼트를 시험체로 제작하였다(Fig. 1).
세그먼트의 실물 휨시험은 Lee et al. (2012)의 시험방법과 동일하게 시험체 상부의 재하를 위하여 재하 시스템의 중앙부에 설치된 유압 서보제어 엑츄에이터(최대 재하용량: 1,000 kN, 최대 스트로크: 300 mm)를 사용하였다. 엑츄에이터 하부에는 지간이 900 mm인 2개의 선하중 재하판을 부착하였고 시험체 하부에는 롤러 베이스를 설치하여, 세그먼트 실물 시험체에 대해 최대 재하하중 600 kN 조건에 대하여 4점 휨시험을 실시하였다(Fig.
시험체는 현장조건과 동일하게 설계강도 45 MPa인 콘크리트와 설계 항복강도 400 MPa 공칭직경 19 mm 철근을 총 20개(상부 및 하부철근) 배근하여 제작하였으며, 하중재하 시험 시 계측을 위하여 상부철근 2개소 하부철근 6개소에 변형율 게이지를 설치하였다(Fig. 2).
실대형 하중재하 시험과 비교분석을 위한 현장계측결과는 Lee et al. (2017)이 수행한 결과를 활용하였으며, 대상 현장의 지반조건은 Fig. 6에서 보는 바와 같이 지표면에서 쉴드터널 천단부까지의 토피고는 약 19 m로 매립층과 점토층으로 구성되어 있으며, 지하수위는 G.L. -8 m이다. 현장계측 대상 쉴드터널은 퇴적모래층을 관통하여 시공되었으며 쉴드터널 하부는 풍화토로 구성되어 있다.
-8 m이다. 현장계측 대상 쉴드터널은 퇴적모래층을 관통하여 시공되었으며 쉴드터널 하부는 풍화토로 구성되어 있다. 세그먼트 라이닝 설계 시 적용한 각 지층별 지반정수는 Table 1과 같다.
현장계측은 Fig. 7에서 보이는 바와 같이 6개의 세그먼트에 대하여 수행되었으며, 본 연구에서는 실대형 하중재하 시험과 동일하게 인장측 주철근에 최대 변형율이 측정된 Segment No. 2의 계측결과를 비교대상으로 선정하였다.

성능/효과

1. 현장계측결과 Segment No. 2에 발생하는 최대 휨모멘트와 세그먼트 사용성 검토를 위한 사용하중 모멘트 (Mo)는 오차율 약 3%로 매우 유사한 것으로 나타났으며, 설계 시 합리적인 하중조건 산정 및 사용성 검토가 수행된 것으로 판단된다.
3. 높은 수준의 하중재하는 시험장비 운영의 어려움은 물론 장비운영자 안전사고의 우려가 높다. 따라서 휨시험은 세그먼트에 발생하는 균열하중 확인만으로도 세그먼트 제작시 주기적으로 수행되는 품질관리를 위한 성능검사가 수행될 수 있을 것으로 판단된다.
4. 실대형 하중재하 시험 시 균열이 발생한 변형율보다 현장계측시 주철근에 큰 변형율이 계측되었으나, 현장조사 결과 균열은 관측되지 않았다. 이는 원형터널로 시공되는 쉴드터널의 특성상 세그먼트 라이닝에 축력이 발생하게 되며 이렇게 발생한 축력은 균열발생을 제어하기 때문인 것으로 판단된다.
Segment No. 2의 계측결과는 Fig. 7에서 보이는 바와 같이 세그먼트 라이닝 시공 후 670시간 동안 현장계측을 수행하였으며, 약 90 m 굴진 시(약 250시간)까지는 tail void 그라우팅 압력, 지반굴착 후 발생하는 지반내 응력 재분배, TBM 장비 굴진에 의한 진동 등의 영향으로 계측결과가 변화하며, 이후 일정 값으로 수렴하는 것으로 나타났다.
그러나 현장계측 결과 인장측 철근에는 132 × 10-6 변형율이 계측되었으나, 현장계측과 병행하여 수행한 육안 점검시 균열은 관찰되지 않았다.
따라서 본 연구에서 수행한 실대형 하중재하 시험의 초기 균열하중은 약 443 kN, 균열모멘트는 약 476 kN-m 일 것으로 예상된다.
본 연구수행을 위하여 제작한 시험체에 대한 하중재하 시험결과 재하하중 101 kN에서 초기 균열(폭: 0.1~0.2 mm)이 발생하였으며, 최대 재하하중 600 kN에서 시험체 파괴는 발생하지 않았으며, 최대 폭 0.8 mm의 균열이 발생하였다(Fig. 4).
8에서 보이는 바와 같은 하중조합 조건에 대해 설계하였다. 설계 시 균열 검토를 위한 사용하중 모멘트(Mo) 315.5 kN-m 보다 약 3% 작은 것으로 확인되었다.
세그먼트 라이닝 시공 후 250~670시간 범위 내에서 계측된 인장측 철근의 최대 변형율은 132 × 10-6 이며, 계측된 최대 변형율 및 세그먼트 제원을 토대로 Segment No. 2에 발생하는 최대 휨모멘트는 306 kN-m 인 것으로 나타났다.
실대형 하중재하 시험결과 101 kN 하중재하 시 인장측 철근에 49.3 × 10-6 의 변형율이 발생하였으며 시험체에서 최초 균열이 관찰되었다.
초기 균열발생하중 101 kN 재하 시 인장측 철근에 49.3 × 10-6 의 변형율이 발생하였으며, 이를 철근콘크리트 구조물의 이론적 해석을 통하여 휨모멘트를 계산하면, 초기 균열발생하중 101 kN 재하 시 시험체 중심선에 약 164 kN-m의 휨모멘트가 발생하는 것으로 나타났다.
하중재하 시험결과 Fig. 5에서 보이는 바와 같이 재하하중과 인장측 및 압축측 철근에 발생하는 변형율은 선형적인 관계를 보이며, 약 220 kN 하중재하 시 인장측 철근은 항복거동을 보이는 것으로 나타났다.

후속연구

높은 수준의 하중재하는 시험장비 운영의 어려움은 물론 장비운영자 안전사고의 우려가 높다. 따라서 휨시험은 세그먼트에 발생하는 균열하중 확인만으로도 세그먼트 제작시 주기적으로 수행되는 품질관리를 위한 성능검사가 수행될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	세그먼트 라이닝이란 무엇인가?	세그먼트 라이닝(segment lining)은 공장이나 현장에서 미리 제작된 프리캐스트(precast) 세그먼트를 조립하여 설치되는 터널 라이닝으로서, 쉴드터널에서 필수적으로 사용되는 구조체이다. 특히, 쉴드터널 세그먼트는 쉴드 TBM의 추진을 위한 반력지지 구조물로서의 역할과 공사 중의 안정성 확보는 물론이고 영구적인 터널 라이닝의 역할도 하게 된다(Lee et al.
	쉴드터널 세그먼트의 역할은?	세그먼트 라이닝(segment lining)은 공장이나 현장에서 미리 제작된 프리캐스트(precast) 세그먼트를 조립하여 설치되는 터널 라이닝으로서, 쉴드터널에서 필수적으로 사용되는 구조체이다. 특히, 쉴드터널 세그먼트는 쉴드 TBM의 추진을 위한 반력지지 구조물로서의 역할과 공사 중의 안정성 확보는 물론이고 영구적인 터널 라이닝의 역할도 하게 된다(Lee et al., 2012).
	축력을 고려한 사용성 검토 검토를 합리적으로 판단한 이유는?	4. 실대형 하중재하 시험 시 균열이 발생한 변형율보다 현장계측시 주철근에 큰 변형율이 계측되었으나, 현장조사 결과 균열은 관측되지 않았다. 이는 원형터널로 시공되는 쉴드터널의 특성상 세그먼트 라이닝에 축력이 발생하게 되며 이렇게 발생한 축력은 균열발생을 제어하기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 축력을 고려한 사용성 검토는 합리적인 것으로 판단된다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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